重慶菜園壩大橋防船撞研究

(重慶交通大學(xué)　重慶　400074)

引言

橋梁的船撞風(fēng)險(xiǎn)及撞后損傷破壞，都將隨著橋區(qū)航道通航標(biāo)準(zhǔn)的提高及實(shí)際通航船舶尤其是大噸級船舶通航量的增加而大幅增加。因此研究船撞力的精準(zhǔn)計(jì)算分析在橋梁防撞工程方面具有重大意義。目前，國內(nèi)外常用的碰撞計(jì)算方法有簡化解析法、試驗(yàn)法、有限元分析方法，前兩種方法在結(jié)果精確性和實(shí)際應(yīng)用上存在著不足，而近幾年有限元分析方法成為目前船橋碰撞問題分析的重要手段，在船橋碰撞的有限元仿真計(jì)算中：可以計(jì)算碰撞過程中每一個(gè)時(shí)間歩的結(jié)構(gòu)內(nèi)力和變形，應(yīng)力和應(yīng)變；最后可以得到船舶撞擊力等各種力學(xué)指標(biāo)的時(shí)程曲線圖。本文將通過LS-DYNA軟件對船撞橋梁進(jìn)行數(shù)值仿真分析，由計(jì)算得到的峰值船撞力研究確定各墩的設(shè)計(jì)船撞力，為該橋防撞標(biāo)準(zhǔn)確定及防撞設(shè)施設(shè)計(jì)提供技術(shù)依據(jù)。

一、工程概況

重慶菜園壩長江大橋，為雙層特大公軌兩用橋，橋長1651米，橋?qū)?0.5m，橋高114主橋?yàn)閯倶?gòu)與提籃式鋼箱系桿拱和桁梁組合結(jié)構(gòu)。系桿拱主跨為420m，對稱布跨的邊跨和側(cè)跨分別為102m及88m，主橋總長800m。船舶撞擊力按國家I級航道進(jìn)行設(shè)計(jì)。鑒于橋區(qū)河段近5年的船舶年均通航量增長迅速，橋區(qū)河段執(zhí)行通行5000噸級單船及9×3000噸級船隊(duì)的通航標(biāo)準(zhǔn)。

二、橋梁船撞力計(jì)算

(一)現(xiàn)有的常見船撞力計(jì)算方法

目前國際上較為流行的船撞力簡化計(jì)算方法主要有：AASHTO規(guī)范[1]公式、歐洲規(guī)范公式、我國《鐵路橋涵設(shè)計(jì)基本規(guī)范》公式、《重慶市三峽庫區(qū)跨江橋梁船撞設(shè)計(jì)指南》公式等，下面為常用的幾種方法:(1)AASHTO規(guī)范：AASHTO提出船舷正撞時(shí)的設(shè)計(jì)船舶撞擊力按下式計(jì)算：F=0.98(DWT)1/2(v/8);(2)歐洲規(guī)范：規(guī)范中規(guī)定，在橋梁的船撞設(shè)計(jì)中，應(yīng)選用某種統(tǒng)計(jì)意義下的代表船舶，并按照下式計(jì)算船舶的撞擊力：F=V(KM)1/2;(3)《重慶市三峽庫區(qū)跨江橋梁船撞設(shè)計(jì)指南》：指南中所提公式綜合考慮了船舶航行速度，撞擊角度，橋墩形狀以及撞擊部位等影響因素。輪船與橋墩的正撞力可按下公式計(jì)算：F=αk·η·ξ·(DWT)βk·V。

(二)船撞力數(shù)值仿真分析計(jì)算

1.仿真分析計(jì)算原理

船舶對橋梁的碰撞分析采用動(dòng)力數(shù)值模擬法[2]進(jìn)行計(jì)算，碰撞計(jì)算分析軟件采用基于顯式算法的LS-DYNA。

2.船橋碰撞分析模型參數(shù)取值

本次仿真計(jì)算中，全橋采用三維實(shí)體單元，船舶采用二維殼單元。為了縮短計(jì)算時(shí)間，橋墩、船舶受直接碰撞部位單元?jiǎng)澐殖叽?-5cm，混凝土部分采用材料為線彈性材料，混凝土密度R=2500kg/m3，彈性模量E=3e10Pa，泊松比pr=0.17。鋼材部分采用塑性隨動(dòng)模型，密度R=7800kg/m3，彈性模量E=2.1e11Pa，泊松比pr=0.3，屈服應(yīng)力2.35e8；船舶材料采用此塑性隨動(dòng)模型，密度R=7800kg/m3，彈性模量E=2.1e11Pa，泊松比pr=0.3，屈服應(yīng)力2.35e8。

3.動(dòng)力仿真模擬計(jì)算結(jié)果

通過橋梁抗力和年倒塌頻率分析，本次撞擊船舶的計(jì)算噸位為8000噸。撞擊速度為5.47m/s，撞擊角度為與橋梁法向成0°角。撞擊過程中出現(xiàn)了動(dòng)能、內(nèi)能、滑動(dòng)能等之間的能量相互轉(zhuǎn)化，但總能量趨于不變，沙漏能得到了很好的控制。船舶撞擊力最大值為48.2MN。

三、橋墩抗力與設(shè)計(jì)船撞力的對比分析

影響船舶撞擊力大小的主要因素[3]有：船舶的噸位、撞擊角度以及船舶速度等，橋墩的形狀、強(qiáng)度以及截面尺寸等。通過采用不同的方法對重慶菜園壩大橋的船撞力進(jìn)行探索性的研究發(fā)現(xiàn)，采用仿真模擬分析方法得到的船撞力相對于AASHTO規(guī)范和設(shè)計(jì)指南方法相近。但仿真模擬方法能夠較真實(shí)的模擬出船橋碰撞的過程，得到能量、力以及位移的時(shí)程曲線。因此我們以數(shù)值仿真模擬得到的峰值船撞力作為橋墩的設(shè)計(jì)船撞力，橋墩的抗力與設(shè)防船撞力對比見下表。

表1　橋墩的抗力與設(shè)防船撞力對比表

四、菜園壩長江大橋防撞設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)及方案

根據(jù)對大橋的船撞力及風(fēng)險(xiǎn)分析[4]，防撞設(shè)計(jì)代表船型為8000DWT，設(shè)防船撞力為48.2MN。綜合考慮菜園壩長江大橋的地質(zhì)、水位、通航船舶、航道、施工難易等因素，大橋的2#主墩防撞方案主要考慮以下3種：

1.攔截索防撞方案：該方案類似于繩索的防護(hù)方式，為適應(yīng)橋區(qū)水位落差大、防撞設(shè)計(jì)船舶噸位大的特點(diǎn)，可在枯水期河灘裸露時(shí)施工錨碇系統(tǒng)，承臺高程控制在河灘面高程左右，水面防撞浮筒可采用復(fù)合材料制作，并通過系纜固定在承臺或錨碇上，浮筒間采用鋼纜連接并通過錨固裝置固定。發(fā)生船撞作用時(shí)，浮筒通過浮于水面的鋼纜掛住船舶，系纜下的錨碇拖住船舶，從而消耗其撞擊能量，將危險(xiǎn)船舶攔截在橋梁的安全范圍之外，達(dá)到保護(hù)橋梁的目的。

2.薄壁圍堰防撞方案：該方案主要將墩柱分別用圍堰包圍，圍堰與橋墩墩柱不接觸，主要分為上下兩個(gè)部分：上部為鋼圍堰，起主要防撞作用，鋼圍堰內(nèi)部用鋼材支撐；下部為混凝土圍堰，主要起支撐和防撞作用。一旦發(fā)生船撞作用，鋼圍堰吸收大部分能量，并阻止船撞向橋墩，達(dá)到保護(hù)橋墩目的。

3.結(jié)構(gòu)自身加強(qiáng)防撞方案：因?yàn)闃蚨崭哌_(dá)50m以上，橋墩墩柱間距為35m,無橫向聯(lián)系，所以抗撞擊能力較弱，因而考慮在橋墩墩柱間設(shè)置一個(gè)橋墩，并增加2排橫梁連接3個(gè)橋墩，以加強(qiáng)橫向聯(lián)系及抗撞擊能力。

五、結(jié)論

根據(jù)規(guī)范和數(shù)值仿真模擬的船撞力計(jì)算結(jié)果，發(fā)現(xiàn)2#主墩抗力不足以抵抗設(shè)計(jì)船撞力，且與設(shè)防船撞力標(biāo)準(zhǔn)對比，橋墩自身抗力差15%以上，為了保障大橋和船舶航行的安全，在根據(jù)防撞方案布設(shè)防撞設(shè)施的同時(shí)，還可按照分道行駛的方式航行，并嚴(yán)禁在橋孔附近會(huì)船、并航或超越。為了引導(dǎo)船舶安全地通過橋區(qū)水域，可以在橋孔迎船一側(cè)，按照相關(guān)規(guī)范要求設(shè)置浮標(biāo)標(biāo)志等。